CN107101573B - 一种超薄玻璃厚度的在线测量装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，包括基准探头和感应探头，其中，基座探头包括基准探头支撑套管、电涡流基准座、基准探头激光测距传感器、以及基准探头缓冲弹簧；感应探头包括感应探头支撑套管、电涡流传感器、感应探头激光测距传感器以及感应探头缓冲弹簧，两传感器分别检测到对应的基准探头缓冲弹簧和感应探头缓冲弹簧发生压缩形变导致的间距变化，实现厚度测量。本发明还公开了相应的测量系统及测量方法和应用。本发明通过多种传感器实现的自动化测量装置，能够在玻璃减薄和二次强化工艺进行中避免腐蚀性的溶液的影响，以及实时在线获取准确的测量信息。

Description

一种超薄玻璃厚度的在线测量装置、方法及应用

技术领域

本发明属于厚度测量技术领域，具体涉及一种超薄玻璃厚度测量装置和方法，尤其适用于超薄玻璃二次强化和减薄工艺中自动实时测量玻璃厚度。

背景技术

在手机、平板电脑、液晶电视等设备中使用的玻璃往往需要对原料玻璃进行减薄和二次强化的工艺，从而获得厚度更薄(厚度薄至例如0.11mm)、强度更高的玻璃，这种减薄后的玻璃才会被作为电子设备屏幕玻璃使用。

在当前的玻璃减薄工艺中，通常是将大片玻璃浸泡在某种电解质溶液中，然后利用电解质溶液与玻璃产生化学反应来不断腐蚀掉玻璃的外层，进而实现原料玻璃的减薄和二次强化的功能。在该工艺进行过程中，必须实时监测玻璃的厚度，对加工过程进行控制，以避免加工后的成品玻璃过薄或者过厚。

目前对于玻璃厚度的实时测量，通常有接触式测量和非接触式测量两类。对于接触式测量，由于玻璃被浸泡在腐蚀性溶液中，溶液的腐蚀性使得大多数的接触式测量方法往往会导致传感器表面受损，甚至带来测量误差。而且玻璃厚度非常薄，往往在0.12～0.33mm，即使采用千分尺等工具进行人工测量，也容易造成夹碎玻璃的现象方式，因此接触式的在线测量方式无法准确获得玻璃厚度。

对于非接触测量，一般包括光学式、电容式、超声波等，但都存在不同的问题导致测量不准确，例如常用的光学测量方法，需要知道溶液折射率、样品玻璃折射率，但是这两种往往随着样品的不同而不同，而且玻璃表面的溶液膜厚度并不均匀(甚至在玻璃表面存在水滴状况)，另外，浸泡玻璃的溶液槽中会不断随机上浮大量的气泡，气泡的大小、气泡的上浮时间等因素具有不确定性，因此使用光学测量方法获取测量值需要较多外部因素，并且成本也会较高，难以获得准确测量值。电容式测厚则必须知道样品玻璃和溶液的介电常数，并且由于玻璃表面溶液厚度的影响也会带来测量误差较高的问题，传统超声波方法的装置由于玻璃过薄和溶液膜导致厚度测量存在较大误差。因此采用非接触式测量方法难以直接测量溶液槽内的玻璃厚度，即使将玻璃拿出直接测量，但因玻璃表面存在残留溶液，且该溶液厚度分布不均匀，导致目前采用的超声、光学等非接触式方法难以获取准确的测量值。

实际上，因为目前尚未有合适、有效的测量方式来实现该工艺中玻璃厚度的自动化在线测量工作，在该项工艺加工过程中，采用人工方法获取玻璃厚度信息依旧是一种主要手段，其工艺通常采用如下步骤：(1)首先放置一块同被加工玻璃相同材质的样品玻璃进入溶液槽中，由于样品玻璃和被加工玻璃在材质、厚度等完全一致，因此可以认为经过工艺加工后的样品玻璃厚度能够反映被加工玻璃的厚度。(2)每隔一段时间，操作人员将样品玻璃提出溶液槽，使用千分尺进行检测。由于玻璃非常薄，因此测量过程必须注意避免千分尺夹碎玻璃。(3)若样品玻璃的厚度超过要求的厚度，则继续玻璃加工；反之，若过薄则作为废品。事实上，这种人工的测量方法，严重依赖操作人员的经验，而且仍然不能避免被夹碎的问题，而且会由于操作人员的操作误差使得最后成品玻璃的厚度误差过大，甚至可以达到0.025mm。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置和方法，通过优化的测量装置结构以及传感器布置方式，实现对减薄工艺中的具有腐蚀溶液环境下的玻璃厚度的实时准确在线测量，测量结果精确可靠，可以避免测量中玻璃夹碎或误差过大、成本过高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其包括分别设置在待测玻璃相对的两表面外侧并可相对对应表面移动的基准探头和感应探头，其中，

所述基座探头包括基准探头支撑套管、设置在基准探头支撑套管的靠近待测玻璃的一端端部管口上的电涡流基准座、设置在基准探头支撑套管另一端端部管口上的基准探头激光测距传感器、以及同轴容置在所述基准探头支撑套管中且两端分别与所述基准探头激光测距传感器和电涡流基准座接触的基准探头缓冲弹簧；

所述感应探头包括感应探头支撑套管、设置在感应探头支撑套管靠近待测玻璃的一端端部管口上的电涡流传感器、设置在感应探头支撑套管另一端端部管口上的感应探头激光测距传感器、以及同轴容置在所述感应探头支撑套管内且两端分别与所述电涡流传感器和感应探头激光测距传感器接触的感应探头缓冲弹簧；

在作用力驱动下所述基准探头和感应探头相向向待测玻璃表面移动中，所述基准探头激光测距传感器和感应探头激光测距传感器可检测到对应的基准探头缓冲弹簧和感应探头缓冲弹簧由于电涡流基准座和电涡流传感器因接触到待测玻璃表面而发生压缩形变导致间距发生变化，此时刻利用上述电涡流传感器可获取其与对应的电涡流基准座之间的间距，即可获得玻璃厚度的精确值。

作为本发明的改进，该电涡流基准座可相对所述基准探头支撑套管端部管口在轴向上移动，从而可实现驱动基准探头缓冲弹簧而产生形变。

作为本发明的改进，所述电涡流基准座为中心具有凸起的圆台，所述凸起套装在基准探头支撑套管管口内，圆台外沿与基准探头支撑套管端面之间设有间隙，以保证电涡流基准座在套管内能够轴向移动。

作为本发明的改进，所述电涡流传感器可相对所述感应探头支撑套管端部管口在轴向上移动，从而可实现驱动感应探头缓冲弹簧而产生形变。

作为本发明的改进，所述电涡流传感器为中心具有凸起的圆台，该凸起套装在感应探头支撑套管管口上，圆台外沿和感应探头支撑套管端面之间设有间隙，以保证电涡流传感器在套管内能够轴向移动。

作为本发明的改进，所述基准探头支撑套管的外周套接有基准探头波纹管，基准探头波纹管一端与电涡流基准座连接，以匹配电涡流基准座在相对基准探头支撑套管端部的轴向移动，并保护基准探头不受腐蚀溶液的影响。

作为本发明的改进，基准探头支撑套管外部还设置有基准探头电缆支撑套管，用于容纳和支撑与基准探头激光测距传感器连接的基准探头激光测距传感器电缆。

作为本发明的改进，感应探头支撑套管外周套接有感应探头波纹管，感应探头波纹管一端与电涡流传感器连接，以匹配电涡流传感器在相对感应探头支撑套管端部的轴向移动，并保护感应探头不受腐蚀溶液的影响。

作为本发明的改进，感应探头支撑套管外部还设置有感应探头电缆支撑套管，用于容纳和支撑与感应探头激光测距传感器连接的电涡流传感器电缆。

作为本发明的改进，分别在电涡流基准座和电涡流传感器各自与待测玻璃表面接触的端面上喷涂防腐涂层，玻璃厚度通过获得电涡流基准座和电涡流传感器之间距离以及涂层的厚度而得到。

作为本发明的改进，设定两探头的激光测距传感器与对应的电涡流基准座或电涡流传感器之间的距离变化阈值，距离变化量大于对应的阈值，则确定为电涡流基准座和电涡流传感器分别接触到玻璃表面，以消除振动影响。

作为本发明的改进，所述基准探头支撑套管和感应探头支撑套管同轴布置，优选相对待测玻璃呈对称布置，且其轴线与待测玻璃表面垂直。

按照本发明的另一方面，提供一种上述实时在线测量装置对玻璃减薄工艺中的玻璃厚度进行实时在线测量的方法，包括：

基准探头和感应探头向待测玻璃表面方向移动并进而使得其中的电涡流基准座和电涡流传感器分别靠近待测玻璃的一侧表面；

在两探头的激光测距传感器获取对应的电涡流传感器和电涡流基准座在探头中的位置变化量大于阈值时，确定电涡流传感器和电涡流基准座分别与玻璃表面接触；

电涡流传感器获取此刻其与所述电涡流基准座之间的距离，即可获得待测玻璃的厚度。

按照本发明的再一方面，提供一种包括上述实时在线测量装置的测量系统，用于对玻璃减薄工艺中的玻璃厚度进行实时在线测量，其特征在于，包括：

第一水平位移传动装置，所述基准探头被安装在其上，并通过第一水平位移伺服系统控制而移动，从而使得所述基准探头可相对待测玻璃一侧表面移动；

第二水平位移传动装置，所述感应探头被安装在其上，并通过第二水平位移伺服系统控制而移动，从而使得所述感应探头可相对待测玻璃另一侧表面移动；以及

垂直位移传动装置，其用于夹持待测玻璃，其通过垂直位移伺服系统控制而实现垂直位移；

测量时，垂直位移伺服系统控制垂直位移传动装置带动样品玻璃上升至测量位置，相应地，第一水平位移传动装置和第二水平位移传动装置分别驱动基准探头和感应探头向样品玻璃方向移动，并在基准探头和感应探头分别接触到样品玻璃表面后进行测量，从而获取待测玻璃厚度。

作为本发明的改进，测量结束后，自动装夹设备控制基准探头和感应探头同时向离开样品玻璃的方向移动，分别接触到水平位移限位开关和水平位移限位开关时停止移动。

按照本发明的又一方面，提供一种用于控制上述实时在线测量装置进行测量的控制处理器，用于对上述实时在线测量装置的测量进行控制和信号处理，其特征在于，该控制处理器包括：高频激励功率放大电路、检波电路、前置放大电路、低通滤波电路、低通滤波电路、带通滤波电路、ARM芯片电路、低通滤波电路、前置放大电路和前置放大电路，其中，

所述ARM芯片电路输出触发信号由所述高频激励功率放大电路后输出到电涡流传感器，所述电涡流传感器输出的测量信号经过检波电路去除激励基频信号得到电磁场变化信号后，然后依次经所述前置放大电路、低通滤波电路后由ARM芯片电路中的ADC进行采样处理，进而通过ARM芯片电路获得电涡流传感器与电涡流基准座之间的距离；

所述感应探头激光测距传感器和基准探头激光测距传感器分别连接至前置放大电路和前置放大电路，其输出信号分别经对应放大电路处理后，由所述低通滤波电路和低通滤波电路进行滤波，然后输入所述ARM芯片电路进行数字采样，进而通过ARM芯片电路获得激光测距传感器与相应的电涡流基准座或电涡流传感器的距离。

作为本发明的改进，所述控制处理器还包括分别与ARM芯片电路电连接的以太网接口电路、RS485接口电路和/或CAN Bus接口电路，以与上层控制系统的通讯。

作为本发明的改进，所述控制处理器还包括与ARM芯片电路电连接的DAC输出调理电路，其可通过上述ARM芯片电路的片内DAC向DAC输出调理电路输出信号，实现在一定输出范围内实现分段表示探头距离。

本发明中，基准探头和感应探头配套使用，组成一套多传感器系统，当测量玻璃厚度时，基准探头和感应探头同时向玻璃方向移动，基准探头中的电涡流基准座采用了具有低电阻率、高导磁率的金属——坡莫合金，使得其对感应探头中的电涡流传感器产生的电磁场带来更显著的改变，从而提高测量灵敏度。同时，由于坡莫合金的高导磁率可以更显著的提高电磁屏蔽效果，从而避免电涡流传感器的高频磁场影响基准探头中的电子线路。电涡流传感器与电涡流基准座之间的距离会产生不同的电压大小，从而为判断距离提供依据。当基准探头和感应探头接触与玻璃表面时，两个探头的距离就是玻璃的厚度，而这恰恰可以根据电涡流传感器的测距原理获取该信息。

当基准探头和感应探头均为接触到被测玻璃时，可以认为2个探头内部的缓冲弹簧尚未被压缩。但是由于事先并不知道玻璃厚度，所以2个探头会继续向被测玻璃表面的方向移动。这时，2个缓冲弹簧会被压缩，避免夹碎被测玻璃。另一方面，由于弹簧被压缩，故探头内部的激光测距传感器表面到对应的电涡流传感器及其基座之间的距离发生变化。

与此同时，由于基准探头和感应探头中的激光测距传感器可以分别测量该传感器表面到电涡流基准座及电涡流传感器底部的距离，因此当2个缓冲弹簧被压缩或者被释放时，激光测距传感器必然会获取上述距离的变化量。显然，当距离增大则表示弹簧被释放，即探头离开被测玻璃表面；当距离减小则表示弹簧被压缩，即探头已经于被测玻璃表面发生接触。通过该方法可以判断两个探头是否夹持住玻璃表面。

使用的激光测距传感器并不需要太高的精度。首先，采用激光测距传感器的主要目的在于能够判断探头是否夹持住被测玻璃，即缓冲弹簧是否被压缩到足够的距离，而这个变化距离往往大于2mm。其次，玻璃的最薄厚度仅有0.2mm。因此在10mm的距离测量范围内，1％的激光测距精度足够满足实际的测量要求。

探头表面采用喷塑和波纹管密封处理，可以保证探头能够在具有腐蚀性玻璃溶液的环境中实现精确测量。这种方式下，在获取实际玻璃厚度值时，获取到的间距值必须减去探头表面的喷塑层厚度。虽然喷涂层厚度难以获取，但是在没有玻璃时将基准探头和感应探头紧密接触后，可以直接获取喷涂层总厚度。

电涡流传感器的激励信号由主控计算子系统提供，可以利用CPU芯片中的PLL单元使CLK输出引脚产生频率f_ex方波。该方波经过7阶带通滤波电路后被调理成信噪比大于80dBm的正弦波信号。该信号被分成两路，一路经过功率放大电路后送入电涡流传感器，另外一路被作为本振信号送到相敏检波电路。检波电路利用本振信号处理来自电涡流传感器的信号，从而得到一个低频的信号。该信号则正好反映电涡流传感器与电涡流基准座之间的距离，因此该信号的幅值变化频率可用于探头夹持玻璃的速度。电涡流传感器输出信号经过检波电路后，则采用前置放大电路1#和低通滤波电路进行调理，实现信噪比达到85dB的信号，然后被用于ADC采样处理。

两个激光测距传感器可以将距离值以电压的方式输出，为保证最优的测量精度，应当将其输出电压调整到CPU芯片内部ADC的量程位置，故本装置中的前置放大电路2#和前置放大电路3#均采用减法放大电路，使得其满量程输出满足需求，从而提高测量分辨率。然后调理电路的输出信号再经过低通滤波连接至CPU的片内ADC。另外，由于传感器的输出为非线性，因此在CPU芯片中可利用插值算法来获取实际测量值。

当测量完毕后，ARM芯片可以利用模拟或数字接口将计算后的玻璃厚度结果发送出去，模拟输出则利用ARM芯片的片内DAC输出到DAC调理电路，DAC调理电路会将该输出信号转换为0到20mA的标准仪表输出，数字接口则可以采用以太网、RS485和CAN Bus接输出。

另外，为提高系统的兼容性和可扩展性，主控计算子系统采用了以太网、RS485和CAN Bus接口同上层信息管理系统实现信息交互功能。这些数字接口不仅能够发送测量数据，而且可以根据来自上层信息管理系统的各种指令作出对应的控制动作。为提高集成度，主控计算子系统为自动化装夹设备提供一些冗余控制接口，主要包括多个位移伺服系统的数字控制接口、状态报警输出接口、多个限位开关状态输入接口。这些接口可作为冗余部分存在，若不使用这些接口控制自动化装夹设备，则可以使用其他类型的控制器，例如PLC，通过以太网或RS485接口获取来自主控计算子系统的测量数据和控制决策。主控计算子系统中带有专用的FLASH存储电路，被用于保存测量系统的设置参数，包括激光测距传感器配置参数、电涡流传感器参数、伺服系统参数、传动装置参数、测量控制参数、数据计算参数等。可以通过修改这些参数以适配不同的传感器、伺服系统和上层信息管理参数，从而实现该测量装置具有广泛的适配性和灵活度。

本发明首先基于2套激光测距传感器和1套电涡流厚度测量单元，并利用处理器对传感器数据进行综合处理，以获得控制决策。由于装置内使用弹簧作为探头接触被测玻璃时的缓冲单元，因此在使用该决策信息控制自动化装夹设备时，可以有效避免测量探头夹碎被测玻璃的情况，并完成精确的厚度测量，从而实现加工过程中测量误差达到±3微米以下的一种在线测量玻璃厚度装置。若将该测量装置和方法与自动化装夹设备组合，可实现无人值守的全自动化在线测量玻璃厚度的工作，并且该装置和方法具有尺寸小、精度高、自动化程度高、操作和接口便利、安装维护简便的优点。

该装置和方法首先基于电涡流厚度测量单元获取厚度信息，并结合2套激光测距单元获取的信息综合判断电涡流厚度测量单元是否已经接触到被测玻璃表面，进而得到被测玻璃精确的实际厚度数据；同时该装置将当中的2套激光测距单元与缓冲弹簧结合使用可以有效避免测量过程中夹碎被测玻璃。更进一步，该装置的CPU单元对根据实时传感器数据的综合处理结果可以获得伺服机构的控制决策，从而实现装夹设备的自动化控制。因此，若将该测量装置与自动化装夹设备进行结合，可组成全自动化玻璃在线厚度测量系统，尤其可避免传统接触式玻璃厚度测量方法容易夹碎玻璃的弊端，并在腐蚀性溶液环境中达到高稳定性和高精度的测量。

具体而言，按照本发明所构思的以上技术方案相比于现有技术，具体如下技术效果：

(1)本发明使用多个传感器，其通过对获取数据进行融合处理，为实现玻璃减薄工艺加工过程中对玻璃厚度的自动化测量提供解决方案，能够在具有腐蚀溶液环境下，实现高精度、高可靠性、较高的灵活控制的测量。

(2)本发明基于电涡流传感器获取玻璃厚度信息，同时利用激光测距传感器和缓冲弹簧获取电涡流传感器及其基座在探头中的位置变化量，从而可为自动装夹设备避免夹碎玻璃提供测量信息。

(3)本发明对激光传感器获取的距离变化量信息进行阈值设定，能够有效的避免操作装置过程中，因装置振动导致激光传感器的测距信息发生变化带来的误判断。为避免自动化设备误认该振动为探头接触玻璃表面提供决策支持。

(4)本发明将激光测距传感器数据与电涡流传感器数据经信息融合方法处理后，能够为自动装夹设备如何移动2个探头而提供更精准的控制策略，可避免测量不准确和夹碎玻璃的现象发生。

(5)本发明为主控计算子系统配置了多种接口，包括4到20mA模拟接口、以太网接口、RS485接口、CAN Bus接口，以适应不同的上层信息管理系统接口。并且可利用配置的数字通讯接口实现上层信息管理系统对该装置的控制。数字输出/输入接口并可通过内置的运动控制算法为自动装夹设备提供冗余控制。

(6)本发明能够实现厚度在0.12到0.5mm之间的玻璃厚度的测量，且绝对测量精度小于±0.003mm。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例所构建的测量装置的电路结构框图；

图2为按照本发明一个实施例所构建的测量装置的测量探头的结构示意图；

图3为按照本发明一个实施例所构建的测量装置在测量中形成的测量系统的结构示意图(未绘制电缆)；

图4为电涡流测距原理示意图；

图5为厚度测量尺寸分布示意图；

图6为激光测距传感器GP2Y0A51SK0F的输出电压与激光反射距离的关系曲线图；

图7为根据传感器数据判断自动装夹设备的控制策略流程简图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1－基准探头、2－感应探头、3－主控计算子系统、4－水平位移限位开关2#、5－水平位移伺服系统2#、6－水平位移传动装置2#、7－垂直位移限位开关、8－垂直位移伺服系统、9－垂直位移传动装置、10－水平位移传动装置1#、11－水平位移伺服系统1#、12－水平位移限位开关1#、101－基准探头电缆支撑套管、102－基准探头激光测距传感器电缆、103－基准探头支撑套管、104－基准探头缓冲弹簧、105－基准探头波纹管、106－感应探头波纹管、107－感应探头缓冲弹簧、108－感应探头支撑套管、109－感应探头激光测距传感器电缆、110－感应探头电缆支撑套管、111－电涡流传感器电缆、112－感应探头激光测距传感器、113－电涡流传感器、114－电涡流基准座、115－基准探头激光测距传感器、301－高频激励功率放大电路、302－检波电路、303－前置放大电路1#、304－低通滤波电路2#、305－低通滤波电路1#、306－带通滤波电路、307－ARM芯片电路、308－DAC输出调理电路、309－以太网接口电路、310－RS485接口电路、311－CAN Bus接口电路、312－FLASH存储电路、313－晶振、314－数字输入驱动电路、315－数字输出驱动电路、316－低通滤波电路3#、317－前置放大电路3#、318－前置放大电路2#。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1、图2和图3，按照本发明一个实施例所构建的一种在玻璃减薄过程中实现高精度的玻璃厚度在线测量装置，由三个单元组成，分别是基准探头1、感应探头2和主控计算子系统3。

主控计算子系统3首先向感应探头2提供频率为f_ex的正弦激励信号，并从基准探头1、感应探头2获取2个激光测距传感器和电涡流传感器的信号；主控计算子系统3通过信号调理电路后，对传感器信号进行数据采集，并将这些采样数据进行综合处理，从而得到自动装夹设备的控制决策，以至于自动装夹设备能够根据该控制决策使得基准探头1和感应探头2稳定、可靠、非破坏的接触到样品玻璃表面，进而得到准确的被测玻璃厚度信息。

另外，主控计算子系统3可以利用多种接口与上层信息管理系统完成信息交换，例如发送实际测量数据、控制决策信息等内容，以及接受来自上层信息管理系统控制命令。

如图2所示，其中基准探头1包括基准探头电缆支撑套管101、基准探头激光测距传感器电缆102、基准探头支撑套管103、基准探头缓冲弹簧104、基准探头波纹管105、电涡流基准座114和基准探头激光测距传感器115。电涡流基准座114的主体优选使用低电阻率、高导磁率的坡莫合金。

其中，基准探头激光测距传感器115设置在基准探头支撑套管103一端端部，电涡流基准座114设置在另一端端部(优选是靠近待测玻璃一端)且其可相对基准探头支撑套管103端部轴向移动，优选地，电涡流基准座114为中间凸起的圆台，凸起套装在基准探头支撑套管103管口上，电涡流基准座114的外沿与基准探头支撑套管103端部之间有长度为L₁的间隙，以保证电涡流基准座114在套管内能够轴向移动。基准探头缓冲弹簧104同轴装在基准探头支撑套管103内且两端分别与基准探头激光测距传感器115和电涡流基准座114抵接接触。基准探头支撑套管103外周套接有基准探头波纹管105，基准探头波纹管105一端与电涡流基准座114连接，以匹配电涡流基准座114在相对基准探头支撑套管103端部的轴向移动，并保护基准探头1不受腐蚀溶液的影响。

基准探头支撑套管103外部还设置有基准探头电缆支撑套管101，用于容纳和支撑与基准探头激光测距传感器115连接的基准探头激光测距传感器电缆102。

感应探头2包括感应探头波纹管106、感应探头缓冲弹簧107、感应探头支撑套管108、感应探头激光测距传感器电缆109、感应探头电缆支撑套管110、电涡流传感器电缆111、感应探头激光测距传感器112和电涡流传感器113。

其中，感应探头激光测距传感器112设置在感应探头支撑套管108一端端部，电涡流传感器113设置在另一端端部(优选是靠近待测玻璃一端)且其可相对感应探头支撑套管108端部轴向移动，优选地，电涡流传感器113为中间凸起的圆台，该凸起套装在感应探头支撑套管108管口上，电涡流传感器113的外沿和感应探头支撑套管108端部之间有长度为L₁的间隙，以保证电涡流传感器113在套管内能够轴向移动。感应探头缓冲弹簧107同轴装在感应探头支撑套管108内且两端分别与感应探头激光测距传感器112和电涡流传感器113抵接接触。感应探头支撑套管108外周套接有感应探头波纹管106，感应探头波纹管106一端与电涡流传感器113连接，以匹配电涡流传感器113在相对感应探头支撑套管108端部的轴向移动，并保护感应探头2不受腐蚀溶液的影响。

感应探头支撑套管108外部还设置有感应探头电缆支撑套管110，用于容纳和支撑与感应探头激光测距传感器112连接的电涡流传感器电缆111。

测量时，基准探头1和感应探头2同轴相对设置，样品玻璃设置在两者之间且其表面与两探头轴线垂直。当基准探头1和感应探头2接触到样品玻璃表面后，若探头继续夹持玻璃，则会导致2个缓冲弹簧104和107被压缩，进而2个激光测距传感器会获取电涡流传感器113和电涡流基准座114在探头中的位置变化量。同时，电涡流传感器113将获取其表面到电涡流基准座114表面的距离。鉴于以上的运动关系，电涡流基准座114与基准探头支撑套管103之间、电涡流传感器113与感应探头支撑套管108之间，必须有足够的缓冲距离L₁，且L₁的大小与缓冲弹簧104和107的弹性系数有关。

由于获取玻璃厚度信息是基于电磁场的电涡流透射原理，因此电涡流基准座114的主体使用低电阻率、高导磁率的坡莫合金。根据电磁场理论，由于外界介质的磁导率μ₁越高，则感应电流越大，即对原生磁场的影响越大。这种情况下，可以显著提高图4所示的曲线斜率。因此使用坡莫合金作为电涡流基准座114的主体则可以有效提高电涡流传感器的灵敏度。

所有的探头信号的处理工作均由所述主控计算子系统3完成，在一个优选实施例中的子系统3包括高频激励功率放大电路301、检波电路302、前置放大电路303、低通滤波电路304、低通滤波电路305、带通滤波电路306、ARM芯片电路307、DAC输出调理电路308、以太网接口电路309、RS485接口电路310、CAN Bus接口电路311、FLASH存储电路312、晶振313、数字输入驱动电路314、数字输出驱动电路315、低通滤波电路316、前置放大电路317和前置放大电路318。

ARM芯片电路307中的DAC输出频率f_ex的信号，经过带通滤波后，由所述高频激励功率放大电路301得到足够功率的激励信号输出到电涡流传感器113；电涡流传感器113的输出信号经过检波电路302去除激励基频信号得到电磁场变化信号后，然后经前置放大电路303、低通滤波电路305后由ARM芯片电路307中的ADC进行采样处理。感应探头激光测距传感器112和基准探头激光测距传感器115分别连接至前置放大电路318和前置放大电路317进行处理，然后低通滤波电路304和低通滤波电路316完成滤波后送入ARM芯片电路307进行数字采样。

ARM芯片电路307对所有的采样数据进行分析和综合处理，从而获得准确的被测玻璃厚度信息，以及得到优化的自动化装夹设备的控制决策，并可通过数字输出驱动电路315向自动装夹设备的位移伺服系统提供控制信号，同时可利用数字输入驱动电路314接收自动装夹设备中的各个限位开关信号。

ARM芯片电路307与DAC输出调理电路308相连，并利用CPU的片内DAC向DAC输出调理电路308输出信号，从而可实现在4到20mA的输出范围内实现分段表示探头距离。

ARM芯片电路307与以太网接口电路309、RS485接口电路310、CAN Bus接口电路311相连，并用于数字化通讯，可选择任意一个数字接口实现该测量装置与上层控制系统的通讯，包括发送控制决策信息到上层控制系统，发送测量状态和数据到上层控制系统，接收来自上层控制系统的指令等工作。

ARM芯片电路是主控计算子系统的的计算和控制核心单元，本实施例采用集成度高的ARM芯片，以降低系统开发成本并提高集成度。优选该CPU芯片为基于ARM Cortex-M4架构的K60P100M100SF2V2(Freescale，飞思卡尔公司)，芯片内部带有16位ADC和12位DAC，以及多种对外接口。由于玻璃厚度不超过0.4mm，而电涡流传感器的测量范围可以设定在10mm，因此直接使用片内的16位ADC故可以至少实现0.001mm的分辨率。

基准探头1和感应探头2上均带有波纹管105和106，优选地，可以采用如图5所示在2个探头表面进行喷塑的方法来避免腐蚀性溶液对探头的损坏。由于2个探头表面存在喷塑厚度，因此传感器得到的距离值H_m应当是样品玻璃厚度H_g和总涂层厚度ΔH之和。但是，基准探头1的表面涂层厚度ΔH₁和感应探头2的表面涂层厚度均为未知量。因此，在进行测量工作之前，可利用自动装夹设备控制2个探头进行表面接触，如图5所示。这时会获得到总涂层厚度ΔH，进而则测量时按照下式进行计算获得样品玻璃厚度H_g：

H_g＝H_m-ΔH   (1)

由于探头在运动中可能存在的振动会引起电涡流传感器113和电涡流基准座114在各自探头中的位置发生变化，从而使得激光测距传感器102和112的测量数据存在因该振动带来的电噪声信号。为解决这个问题，优选地，本方案首先根据振动特性可知相对于探头接触到被测玻璃表面后带来的弹簧被压缩的距离变化量ΔL_M而言，振动带来的距离变化量ΔL_V要远远小于ΔL_M。因此可以通过设定阈值的方式进行判断，避免振动带来的测距影响。实际工作中，若激光测距传感器获取的距离变化量超过阈值，且电涡流传感器获取的距离值小于设定值(本实施例中优选为1mm)，则可判断为已经探头已经夹紧被测玻璃表面。另外，在电涡流传感器获取的厚度数据超过设定值之前，所有激光测距传感器获取的距离变化量均可以很容易被确定为因装置振动带来的影响。这两种判断方法，能够有效的避免振动带来的影响。其次，在电涡流传感器获取的厚度数据超过1mm之前，若某个激光测距传感器获取的距离变化量超过阈值，则可以知道被测玻璃并不在两个探头的正中间。那么，只要让探头回退到限位开关的位置就可以完成一次复位校正工作，从而保证玻璃会一直处于2个探头的正中间。其控制和决策的大致流程如图7所示。

本实施例的装置中的2个探头优选按照图3所示的方式进行安装。基准探头1被安装在水平位移传动装置10上，由水平位移伺服系统11控制其移动。感应探头2被安装在水平位移传动装置6上，由水平位移伺服系统5控制其移动。

当根据工艺要求需要测量样品玻璃厚度时，垂直位移伺服系统8控制垂直位移传动装置9带动样品玻璃上升，并在碰触到垂直位移限位开关7时停止上升，并准备测量。然后自动装夹设备控制基准探头1和感应探头2同时向样品玻璃方向移动。夹持样品玻璃的过程中，主控计算子系统3会根据当前传感器情况得到合适的控制决策。当基准探头1和感应探头2接触到样品玻璃表面后则可以停止探头的行进，并获取样品玻璃厚度测量结果，从而测量结束。当测量结束后，自动装夹设备控制基准探头1和感应探头2同时向离开样品玻璃的方向移动，分别接触到水平位移限位开关12和水平位移限位开关4时停止移动。具体的流程可参见图7图7所示。

另外，为了提高该装置的兼容性，该装置的主控计算子系统3提供了多种接口与上层管理系统进行信息交互，包括：

(1)提供4到20mA模拟量输出实际的样品玻璃测量厚度信息；

(2)提供以太网接口：可以用于实现上层信息系统的完全信息交互。包括，发送当前各个传感器测量数据、发送最终测量结果、发送优化后的自动装夹设备控制决策、接收来自上层的控制指令、接收来自上层的其他控制信息；

(3)提供RS485和CAN Bus接口：由于通讯速率较低，因此仅能完成以太网接口中的部分信息功能。包括，发送最终测量结果、发送当前各时刻所有传感器的测量数据、接收来自上层的控制指令。

本实施例中，优选地，该装置并未将4到20mA模拟量输出接口作为单独的测量数值输出，而是带有附加的状态信息输出表示。即，其接口输出的数值并非完全线性，而是采用分段表示不同状态。本实施例中，该分段内容可以如下：

(1)输出为4到15mA：表示获得准确测量数值，且数值范围为0到1.5mm；

(2)当输出大于15mA，但小于16mA：表示2个探头之间的距离值小于10mm；

(3)当输出大于16mA，但小于17mA：表示2个探头之间的距离大于10mm但是在正常范围内；

(4)当输出大于17mA，但小于18mA：表示测量存在问题，需要重新测量；

(5)当输出大于18mA，但小于19mA：表示测量装置经过内部自检测发现问题，需要检修；

(6)其他输出值：目前保留；

采用这种模拟量输出方式，在保证了分辨率的前提下，可以让上层管理系统仅使用该接口就可以获取该装置的基本状况。这种情况下，可以将该装置仅作为一个变送器使用，极大的简化了其余上层管理系统的联接方式。

更为复杂的使用在于上述的以太网联接方式，这种方式使得该自动化测量装置与其他装置之间的结合更为灵活，由于以太网具有很高的传输速率，因此使用该接口可以完成当前装置的所有信息交互。为了更好的实现信息交互，本发明实施例中通过制定应用层协议，通过编码和解码的方式实现信息交互，可以完成：(1)将该装置中的所有传感器测量数据按照时间顺序发送到上层管理信息系统；(2)将该装置的最终测量得到的样品玻璃厚度信息发送出去；(3)该装置对自动装夹设备的控制决策信息发送给上层管理信息系统；(4)接收来自所有上层的控制指令，包括：停止测量并复位、测量开始、工作方式设置等。上述以太网功能的第(3)和第(4)条实现使得该自动化测量设备与其他设备的组合方式更为灵活。例如，可以使用上层管理信息系统控制自动化装夹设备，也可以由该自动化测量装置通过上层管理信息系统间接控制自动化装夹设备。虽然可以实现多种互联方式，但是为了控制的实时性，并不建议通过上层管理信息系统间接控制自动化装夹设备。

由于该装置中的RS485和CAN Bus接口的数据传输速率远小于以太网速率，因此这两种接口主要用于替代4到20mA的模拟输出接口，从而实现相对简单的数据传输。

优选地，本实施例的该装置的主控计算子系统3内部可以带有额外的FLASH存储芯片，并利用I2C接口与该存储芯片进行数据交互。这个存储芯片被用来保存该装置的所有工作和应用参数，包括：工作方式、探头的所有补偿系数、IP地址参数、系统连接设置方式、以及其他与上层管理信息系统的所有信息交互方式。在装置启动时，将从该存储芯片中读取所有工作参数，并按照这些参数进行工作。由于这些参数均可通过上层信息管理系统进行改变，故而该装置可以适应多种自动装夹设备和上层信息管理系统，从而实现灵活有效的自动化测量工作。相对于固定参数的设备而言，本发明具有以下优势：

减小探头中传感器存在不一致性所导致的测量误差：探头中的所有传感器之间必然或多或少的存在不一致性，通过设置补偿参数可以减小这种不一致。因此可以通过修改补偿参数来避免更换探头带来的不一致影响。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其包括分别设置在待测玻璃相对的两表面外侧并可相对对应表面移动的基准探头（1）和感应探头（2），其中，

所述基准探头（1）包括基准探头支撑套管（103）、设置在基准探头支撑套管（103）的靠近待测玻璃的一端端部管口上的电涡流基准座（114）、设置在基准探头支撑套管（103）另一端端部管口上的基准探头激光测距传感器（115）、以及同轴容置在所述基准探头支撑套管（103）中且两端分别与所述基准探头激光测距传感器（115）和电涡流基准座（114）接触的基准探头缓冲弹簧（104），其中所述电涡流基准座（114）的主体采用坡莫合金；

所述感应探头（2）包括感应探头支撑套管（108）、设置在感应探头支撑套管（108）靠近待测玻璃的一端端部管口上的电涡流传感器（113）、设置在感应探头支撑套管（108）另一端端部管口上的感应探头激光测距传感器（112）、以及同轴容置在所述感应探头支撑套管（108）内且两端分别与所述电涡流传感器（113）和感应探头激光测距传感器（112）接触的感应探头缓冲弹簧（107）；

在作用力驱动下所述基准探头和感应探头相向向待测玻璃表面移动中，所述基准探头激光测距传感器（115）和感应探头激光测距传感器（112）可检测到对应的基准探头缓冲弹簧（104）和感应探头缓冲弹簧（107）由于电涡流基准座（114）和电涡流传感器（113）因接触到待测玻璃表面而发生压缩形变导致间距发生变化，此时刻利用上述电涡流传感器（113）可获取其与对应的电涡流基准座（114）之间的间距，即可获得玻璃厚度的精确值。

2.根据权利要求1 所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，所述电涡流基准座（114）或电涡流传感器（113）可相对所述基准探头支撑套管（103）或感应探头支撑套管（108）端部管口在轴向上移动，从而可实现驱动基准探头缓冲弹簧（104）或感应探头缓冲弹簧（107）而产生形变。

3.根据权利要求1所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，所述电涡流基准座（114）或电涡流传感器（113）为中心具有凸起的圆台，所述圆台的凸起对应套装在基准探头支撑套管（103）或感应探头支撑套管（108）管口内，圆台外沿与基准探头支撑套管（103）或感应探头支撑套管（108）端面之间设有间隙，以保证电涡流基准座（114）或电涡流传感器（113）在套管内能够轴向移动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，所述基准探头支撑套管（103）的外周套接有基准探头波纹管（105），基准探头波纹管（105）一端与电涡流基准座（114）连接，以匹配电涡流基准座（114）在相对基准探头支撑套管（103）端部的轴向移动，并保护基准探头（1）不受腐蚀溶液的影响。

5.根据权利要求4所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，其中，基准探头支撑套管（103）外部还设置有基准探头电缆支撑套管（101），用于容纳和支撑与基准探头激光测距传感器（115）连接的基准探头激光测距传感器电缆（102）。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，感应探头支撑套管（108）外周套接有感应探头波纹管（106），感应探头波纹管（106）一端与电涡流传感器（113）连接，以匹配电涡流传感器（113）在相对感应探头支撑套管（108）端部的轴向移动，并保护感应探头（2）不受腐蚀溶液的影响。

7.根据权利要求6所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，感应探头支撑套管（108）外部还设置有感应探头电缆支撑套管（110），用于容纳和支撑与感应探头激光测距传感器（112）连接的电涡流传感器电缆（111）。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，分别在电涡流基准座（114）和电涡流传感器（113）各自与待测玻璃表面接触的端面上喷涂防腐涂层，玻璃厚度通过获得电涡流基准座（114）和电涡流传感器（113）之间距离以及涂层的厚度而得到。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，设定两探头的激光测距传感器与对应的电涡流基准座（114）或电涡流传感器（113）之间的距离变化阈值，距离变化量大于对应的阈值，则确定为电涡流基准座（114）和电涡流传感器（113）分别接触到玻璃表面，以消除振动影响。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃减薄工艺中的玻璃厚度实时在线测量装置，其中，所述基准探头支撑套管（103）和感应探头支撑套管（108）同轴布置，相对待测玻璃呈对称布置，且其轴线与待测玻璃表面垂直。

11.一种利用权利要求1-10中任一项所述的实时在线测量装置对玻璃减薄工艺中的玻璃厚度进行实时在线测量的方法，包括：

基准探头和感应探头向待测玻璃表面方向移动并进而使得其中的电涡流基准座（114）和电涡流传感器（113）分别靠近待测玻璃的一侧表面；

在两探头的激光测距传感器获取对应的电涡流传感器（113）和电涡流基准座（114）在探头中的位置变化量大于阈值时，确定电涡流传感器（113）和电涡流基准座（114）分别与玻璃表面接触；

电涡流传感器（113）获取此刻其与所述电涡流基准座（114）之间的距离，即可获得待测玻璃的厚度。

12.一种包括权利要求1-10中任一项所述的实时在线测量装置的测量系统，用于对玻璃减薄工艺中的玻璃厚度进行实时在线测量，其特征在于，包括：

第一水平位移传动装置（10），所述基准探头（1）被安装在其上，并通过第一水平位移伺服系统（11）控制而移动，从而使得所述基准探头（1）可相对待测玻璃一侧表面移动；

第二水平位移传动装置（6），所述感应探头（2）被安装在其上，并通过第二水平位移伺服系统（5）控制而移动，从而使得所述感应探头（2）可相对待测玻璃另一侧表面移动；以及

垂直位移传动装置（9），其用于夹持待测玻璃，其通过垂直位移伺服系统（8）控制而实现垂直位移；

测量时，垂直位移伺服系统（8）控制垂直位移传动装置（9）带动样品玻璃上升至测量位置，相应地，第一水平位移传动装置（10）和第二水平位移传动装置（6）分别驱动基准探头（1）和感应探头（2）向样品玻璃方向移动，并在基准探头（1）和感应探头（2）分别接触到样品玻璃表面后进行测量，从而获取待测玻璃厚度。

13.一种用于控制权利要求1-10中任一项所述的实时在线测量装置进行测量的控制处理器，用于对上述实时在线测量装置的测量进行控制和信号处理，其特征在于，该控制处理器包括：高频激励功率放大电路（301）、检波电路（302）、第一前置放大电路（303）、第一低通滤波电路（305）、第二低通滤波电路（304）、带通滤波电路（306）、ARM芯片电路（307）、第三低通滤波电路（316）、第二前置放大电路（318）、第三前置放大电路（317），其中，

所述ARM芯片电路（307）输出的触发信号由所述高频激励功率放大电路（301）后输出到电涡流传感器（113），所述电涡流传感器（113）输出的测量信号经过检波电路（302）去除激励基频信号得到电磁场变化信号后，然后依次经所述第一前置放大电路（303）、第一低通滤波电路（305）后由所述ARM芯片电路（307）中的ADC进行采样处理，进而通过该ARM芯片电路（307）获得电涡流传感器（113）与电涡流基准座（114）之间的距离；

所述感应探头激光测距传感器（112）和基准探头激光测距传感器（115）分别连接至第二前置放大电路（318）和第三前置放大电路（317），其输出信号分别经对应放大电路处理后，由所述第二低通滤波电路（304）和第三低通滤波电路（316）进行滤波，然后输入所述ARM芯片电路（307）进行数字采样，进而通过该ARM芯片电路（307）获得激光测距传感器与相应的电涡流基准座（114）或电涡流传感器（113）的距离。

14.根据权利要求13所述的控制处理器，其中，所述控制处理器还包括与ARM芯片电路（307）电连接的以太网接口电路（309）、RS485接口电路（310）和/或CAN Bus接口电路（311），以用于与上层控制系统的通讯。

15.根据权利要求13或14所述的控制处理器，其中，所述控制处理器还包括与所述ARM芯片电路（307）电连接的DAC输出调理电路（308），通过上述ARM芯片电路（307）的片内DAC向该DAC输出调理电路（308）输出信号，可实现在一定输出范围内的探头距离分段表示。

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